電力系統無功功率補償技術發展研究

邱軍，王楚迪

(1.中國質量認證中心沈陽分中心，遼寧 沈陽 110013;2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110025)

1 引言

隨著電力工業的發展，我國電力裝機容量也迅速增長，大大緩解了供電緊張的局面。然而電網建設的速度卻明顯滯后于供電量的增加，網絡損耗問題變得日益突出。降低網損是供電部門減小供電成本的重要突破口，也是增加供電量的重要手段。而無功補償是降低網損、提高經濟效益的重要技術措施。這就需要在電力系統適當的地方裝設無功補償元件，實現無功功率就地的平衡，減少無功功率的傳輸。無功功率為電力網絡及各種電力設備提供勵磁，是電機、電氣設備建立賴以工作的交變電磁場所必需的。當電力網中某一節點增加無功補償容量后，則從該節點至電源點所有串接的線路及變壓器中的無功潮流都將減少，從而使該節點前面串接元件中的電能損耗減少，達到了降損節電和改善電能質量的目的。

2 無功功率補償的原則及補償方式

無功功率補償應按照全面規劃、合理布局、分級補償、就地平衡的原則，使電網的無功補償取得最佳的綜合效益。一般可分為以下三個原則:降損與調壓相結合時，以降損為主、集中補償和分散補償相結合時，以分散補償為主、供電部門與用戶補償相結合時，以就地平衡為主。無功補償的方式可分為就地補償、分散補償和集中補償。就地補償又叫隨機補償，即補償設備直接安裝在用電設備的附近，與用電設備的供電回路相并聯，常用于低壓網絡的電動機。其優點減少配電網至用戶供電電路的無功負荷，相應減少線路損耗，補償效果最好。缺點是由于電動機經常開停，補償設備的利用率很低，因此就地補償適用于經常投入運行，負荷比較穩定的電動機。分散補償是指補償設備如高壓電容器分組安裝在10kV配電線路的桿架上、低壓電容器安裝在配電變壓器的低壓側母線上或安裝在用戶或各車間的配電線上。其優點是補償設備的利用率比就地補償高。缺點是只能減少高壓配電線路和配電變壓器的無功負荷，而低壓配電線路的無功負荷未能得到補償，由于安裝分散，維護不方便。集中補償是指補償設備安裝在變電站母線上，如高壓電容器組和集中安裝在電力用戶總配電室低壓母線上，如低壓電容器組。其優點是易于實現自動投切，利用率高，維護方便，事故少，能減少配電網變壓器及線路上的無功負荷和電能損耗。缺點是不能減少用戶內部各條配電線路的無功負荷和電能損耗。

3 無功功率補償的必要性及補償方案

在電力網中無功功率消耗是很大的，大約有50%的無功功率消耗在輸、變、配電設備上，50%消耗在電力用戶上。為了減少無功功率消耗，就必須減少無功功率在電網中的流動，對其進行補償。我國低壓電網普遍存在著功率因數低、電壓質量差、電能損耗大等問題。隨著我國電氣化鐵路的改造和地鐵的建設，出現了電力機車這類沖擊性大、不對稱、流動性強的大功率動態負荷，對電網的影響很大，易引起電網電壓波動和閃變，降低了對其他用戶的供電質量。此外，我國鋼鐵產量已躍居世界第一，國內鋼鐵企業之間的競爭日趨激烈，因而各鋼鐵集團都在進行技術改造和節能降耗，電弧爐由于有著良好的經濟效益和技術優越性，受到大家的普遍青睞，但電弧爐在熔煉初期電流極不穩定且三相不對稱，對整個系統的電氣設備和經濟安全運行構成了極大的威脅。綜上所述，無功功率對電源、電網及工礦企業內部供配電系統都有不良影響。從節約電能、改善變配電設備利用情況和提高電能質量等方面考慮，都必須設法減少負荷無功功率帶來的不利影響，安裝無功功率補償設備。

在實際應用中一般有以下三種補償方案:(1)對于用戶來說，可按提高功率因數的原則進行無功補償，以減少無功功率輸入;(2)對于全網來說，可根據增加無功補償的總容量采用等網損微增率進行無功補償;(3)對于需要集中補償來說，可按無功經濟當量來選擇補償點和補償容量。

4 傳統的無功功率補償技術

4.1 發電機和同步調相機

發電機通過勵磁調節改變功率因數從而調節發電機發出的無功功率?？梢詫崿F無功的連續調節，但調節范圍有限，增大補償能力需要增加發電機的額定容量，這通常是不經濟的。當系統無功電源不足，而有功備用容量較充裕時，可利用靠近負荷中心的發電機降低功率因數，使之在低功率因數下運行，從而多發出無功功率以提高電力網的電壓水平。

同步調相機是早期無功補償的典型代表，又稱同步補償器，是一種專門為并聯無功補償而設計的無功功率發電機，相當于空載運行的同步發電機。過勵磁運行時向系統發出感性無功，起無功電源的作用，提高系統電壓;欠勵磁運行時從系統吸收感性無功，起無功負荷作用，降低系統電壓。同步調相機的優點是可以雙向、連續地調節，有較大的過載能力，且完全可控，能獨立地通過調節勵磁來調節無功的大小，在系統電壓下降時，靠維持或提高本身出力，就可以給系統提供緊急的電壓支持。但它也有很多缺點:由于同步調相機是旋轉機械，運行維護復雜、控制響應慢、不適應過大或過小的補償、發生失磁故障時將加重系統的電壓波動、投資費用和有功功率損耗較大、運行性能對安裝地點敏感，需要堅固的基礎等。

4.2 并聯電容器、串聯電容器、并聯電抗器

并聯電容器是目前應用最廣泛的一種無功補償方式，可以永久地或用斷路器連接至系統的某些節點上，發出無功功率，從而減少無功功率在系統中的流動。為了最有效地減少線損和控制電壓，并聯電容器一般都靠近負荷安裝。有原理簡單、投資小、運行經濟、維護方便及容量可任意選擇的優點，但其也具有不能連續調節、對系統中的諧波有放大作用、補償量與電壓的平方成正比，結果是在最需要無功功率的時候，由于電壓的降低而使發出的無功功率減少等缺點。

串聯電容器是用來補償輸電線路的感抗，串聯于長距離輸電線上，用來減小電抗值，縮短線路的電氣距離，減少線路消耗的無功功率及提高有功功率輸送極限?？梢园惭b在遠離負荷的地方，能夠改善系統的靜態穩定性和暫態穩定性，運行性能與安裝地點的關系比較小，但要求過電壓保護和次諧振濾波器，過載能力較小。目前在超高壓電力系統中，串聯電容器已經成為提高輸電技術可行性和效率的一種經濟措施。

并聯電抗器用于補償線路電容，特別是用于限制空載或輕載時線路末端電壓不要過高。對于線路長度超過200km的超高壓架空線路，通常需要并聯電抗。為了限制線路過電壓，必須在線路上長期并聯足夠的電抗器，同時也可以用來限制開關切斷時引起的過電壓。此外，對于超高壓輸電線路，為了使線路輕載時電壓為正常值，需要并聯電抗器，或者把電抗器接在可調變壓器的低壓側。并聯電抗器具有運行、操作簡單的優點，但其電抗值無法改變，不靈活，不能頻繁操作的缺點。

5 現代的無功功率補償技術

十九世紀六十年代，在可控硅技術發展的基礎上，提出了一種新的無功功率補償技術──靜止無功補償技術。這種技術經過20多年的發展，經歷了一個不斷創新、發展完善的過程。所謂的靜止無功補償是指用不同的靜止開關投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發出無功電流的能力、提高電力系統的功率因數、穩定電壓、抑制系統振蕩等功能。目前這種靜止開關主要分為斷路器和電力電子開關。由于用斷路器作為接觸器，其開關速度較慢，約為10～30 s，不可能快速跟蹤負載無功功率的變化，而且投切電容器時常會引起較為嚴重的沖擊涌流和操作過電壓，造成接觸點燒焊，使補償電容器內部擊穿，因此其應用受到了很大的限制。而以電力電子開關如交流無觸點開關SCR、GTR、GTO作為投切開關，速度可以提高500倍(約為10μs)，而且對任何系統的參數，無功補償都可以在一個周波內完成。所以現代的無功補償技術主要是使用電力電子開關投切電容器或電抗器。

5.1 基于靜止無功補償器(SVC)的無功功率補償

5.1.1 飽和電抗器(SR)靜止無功功率補償

飽和電抗器分為自飽和電抗器和可控飽和電抗器兩種。具有自飽和電抗器的無功補償是依靠電抗器自身固有的能力來穩定電壓，它利用鐵心的飽和特性來控制發出或吸收無功功率的大小?？煽仫柡碗娍蛊魍ㄟ^改變控制繞組中的工作電流來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，進一步控制無功電流的大小。飽和電抗器易于維護，響應速度快，有限制過電壓的能力和較大的過載能力，但其靈活性有限，不適宜改變系統狀態，且硅鋼片需磁化到飽和狀態，鐵心損耗大，裝置還有振動和噪音，而且調節時間長，動態補償速度慢，由于這些缺點，飽和電抗器一般很少使用，只在超高壓輸電線路才有使用。

5.1.2 晶閘管控制電抗器(TCR)靜止無功功率無償

晶閘管控制電抗器由兩個反并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯而成，其單相原理圖如圖1所示。其三相多接成三角形，這樣的電路并入到電網中相當于交流調壓器電路接電感性負載，此電路的有效移相范圍為90°～180°。當觸發角α=90°時，晶閘管全導通，導通角δ=180°，此時電抗器吸收的無功電流最大，控制器相當于短路。根據觸發角與補償器等效導納之間的關系式:BL=BLmax(δ-sinδ)/π 和 BLmax=1/XL可知。增大觸發角即可增大補償器的等效導納，這樣就會減小補償電流中的基波分量，所以通過調整觸發角的大小就可以改變補償器所吸收的無功分量，達到調整無功功率的效果。

在工程實際中，可以將降壓變壓器設計成具有很大漏抗的電抗變壓器，用可控硅控制電抗變壓器，這樣就不需要單獨接入一個變壓器，也可以不裝設斷路器。

電抗變壓器的一次繞組直接與高壓線路連接，二次繞組經過較小的電抗器與可控硅閥連接。如果在電抗變壓器的第三繞組選擇適當的裝置回路，例如加裝濾波器，可以進一步降低無功補償產生的諧波。瑞士勃郎·鮑威利公司已經制造出此種補償器用于高壓輸電系統的無功補償。由于單獨的TCR只能吸收無功功率，而不能發出無功功率，為了解決此問題，可以將并聯電容器與TCR配合使用構成無功補償器。根據投切電容器的元件不同，又可分為TCR與固定電容器配合使用的靜止無功補償器(TCR+FC)和TCR與斷路器投切電容器配合使用的靜止無功補償器(TCR+MSC)。這種具有 TCR型的補償器反應速度快，靈活性大，目前在輸電系統和工業企業中應用最為廣泛。我國江門變電站采用的靜止無功補償器是端士BBC公司生產的TCR+FC+MSC(機械投切電容器)型的SVC，其控制范圍為±120Mvar。由于固定電容器的TCR+FC型補償裝置在補償范圍從感性范圍延伸到容性范圍時要求電抗器的容量大于電容器的容量，另外當補償器工作在吸收較小的無功電流時，其電抗器和電容器都已吸收了很大的無功電流，只是相互抵消而已。TSC+MSC型補償器通過采用分組投切電容器，在某種程度上克服了這種缺點，但應盡量避免斷路器頻繁的投入與切除，減小斷路器的工況。

5.1.3 晶閘管投切電容器(TSC)靜止無功功率補償

TSC一般包括若干個可控硅開關控制的并聯電容器，電納值由投入運行的并聯電容器的數目來調整，分級變化。其單相原理圖如圖2所示。兩個反并聯的晶閘管只是將電容器并入電網或從電網中斷開，串聯的小電抗器用于抑制電容器投入電網運行時可能產生的沖擊電流。TSC用于三相電網中可以是三角形連接，也可以是星形連接。一般對稱網絡采用星形連接，負荷不對稱網絡采用三角形連接。不論是星形還是三角形連接都采用電容器分組投切。為了對無功電流能盡量做到無級調節，總是希望電容器級數越多越好，但考慮到系統的復雜性及經濟性，一般用K-1個電容值為C的電容和電容值為C/2的電容組2K級的電容組數。TSC的關鍵技術問題是投切電容器時刻的選取。經過多年的分析與實驗研究，其最佳投切時間是晶閘管兩端的電壓為零的時刻，即電容器兩端電壓等于電源電壓的時刻。此時投切電容器，電路的沖擊電流為零。

TSC補償器可以很好的補償系統所需的無功功率，如果級數分得足夠細化，基本上可以實現無級調節。瑞典某鋼廠兩臺100t電弧爐，裝有60 Mvar的TSC后，有效的使130 kV電網的電壓保持在1.5%的波動范圍。由于TSC對于抑制沖擊負荷引起的電壓閃變，單靠電容器投入電網的電容量的變化進行調節是不夠的，所以TSC裝置一般與電感相并聯，其典型設備是TSC+TCR補償器。這種補償器均采用三角形連接，以電容器作分級粗調，以電感作相控細調，三次諧波不能流入電網，同時又設有5次諧波濾波器，大大減小了諧波。我國平頂山至武漢鳳凰山500 kV變電站引進的無功補償設備就是TSC+TCR型。

5.2 基于自換相變流技術的靜無功功率補償(ASVG)

隨著電力電子技術的進一步發展，特別是變流器在無功補償中的應用，逐步出現了應用變流技術進行動態無功補償的靜止補償器－靜止無功發生器(ASVG)。它是通過將自換相橋式電路直接并聯到電網上或者通過電抗器并聯到電網上。ASVG根據直流側采用電容和電感兩種不同的儲能元件，可以分為電壓型和電流型兩種。圖3所示的原理圖為電壓型補償器，如果將直流側的電容器用電抗器代替，交流側的串聯電感用并聯電容代替，則為電流型的ASVG。交流側所接的電感L和電容C的作用分別為阻止高次諧波進入電網和吸收換相時產生的過電壓。無論是電壓型，還是電流型的ASVG其動態補償的機理是相同的。當逆變器脈寬恒定時，調節逆變器輸出電壓及系統電壓之間的夾角δ，就可以調節無功功率及逆變器直流側電容電壓UC，同時調節夾角δ和逆變器脈寬，既可以保持UC恒定的情況下，發出或吸收所需的無功功率。

圖3

ASVG通過采用橋式電路的多重化技術，多電平技術或PWM技術進行處理，以消除較低次的諧波，并使較高的諧波限制在一定范圍內。由于ASVG不需儲能元件來達到與系統交換無功的目的，實際上它使用直流電容來維持穩定的直流電源電壓，和SVC使用的交流電容相比，直流電容量相對較小，成本較低。另外，在系統電壓很低的情況下，仍能輸出額定無功電流，而SVC補償的無功電流隨系統電壓的降低而降低。正是由于這些優點，ASVG在改善系統電壓質量，提高穩定性方面具有SVC無法比擬的優點，這也顯示出ASVG是今后靜止無功補償技術發展的方向。

由于ASVG優良的特性及良好的應用前景，自1980年日本研制出第一臺(20Mvar的強迫自換相的橋式ASVG之后，經過10多年的發展，ASVG的容量不斷增大，1991年和1994年日本和美國又相繼研制出80Mvar和100Mvar的ASVG，最近，日本有關電力公司以及日立、東芝和三菱電器制造公司又在聯合研制用于275kV系統的容量為300Mvar的自勵式ASVG裝置。我國清華大學與河南省電力局合作研制(20Mvar的ASVG裝置也已投入運行。

5.3 其他技術的靜無功功率補償

5.3.1 統一潮流控制器(UPFC)的新型潮流控制裝置

UPFC是由并聯的ASVG和串聯補償SSSC(靜態同步串聯補償器)相結合組成的新型潮流控制器。如圖4所示。其幅值和相角皆可連續變化，從而實現線路有功和無功功率的準確調節，并可提高輸送能力以及阻尼系統振蕩。

我國電科院在分析程序和動模實驗室中皆建立了，UPFC等控制器的模型，研究結果證明了UPFC良好的效果和功能，尤其是其運行靈活性，具有良好的發展前景。

圖4 UPFC電路原理圖

5.3.2 電力有源濾波器(APF)

APF的基本原理是由全控型電力電子器件構成的采用PWM控制的逆變器提供與諧波電流大小相等極性相反的補償電流，使電網只含有基波電流，同時還可以提供無功電流補償無功功率。用于克服配電系統中由大量電力電子設備造成的諧波污染，保證配電系統向其他負荷點的供電電能質量，它可以大范圍補償諧波。圖5給出了APF和系統的典型連接方式，它的基本工作原理就是想系統注入和負荷等量的諧波電流，從而使系統只需向負荷提供基波正弦電流。1986年由日本專家研制的一套用于三相整流器補償的15kVA兩重型有源濾波器，可以補償19次以下的諧波，補償率高達90%。這種可補償非線性負荷諧波的濾波器比ASVG的諧波補償效果要好，其中采用可關斷元件和PWM技術，在體積、造價和性能方面都有一定的優點。目前，APF在許多國家都得到了極為廣泛的應用。目前，國外一些著名的公司如ABB、NOKIAN電容器公司等都有小容量APF供貨。

圖5 APF的典型接線圖

5.3.3 可控移相器(TCPR)

TCPR也是一種潮流控制器，它可以減小事故后的線路過負荷、抑制事故后線路功率增大所造成的暫態過程或電壓減低、減輕導致保護連鎖動作或失步或異常無功需求的大量穿越潮流。美國西部電力系統WSCC已從8臺機械式移相器中選擇了一臺改造成由晶閘管控制，其調整范圍為－35°～+45°。此外，美國還計劃在明尼蘇達州至加拿大安大略的一條將要建設的115kV短路線上安裝一臺TCPR以解決電壓振蕩問題，同時提高線路輸送功率極限。

6 結束語

現代工業的發展，一方面許多非線性動態負荷產生了電壓閃變和諧波污染，另一方面許多生產的自動化設備對電能質量的要求越來越高。這就要求采取有效的措施來減少系統的諧波污染、電壓閃變等電能質量問題，并減小系統異常對用戶供電質量的影響。此外，電力工業正逐步走向市場競爭，電力公司為保證在市場競爭上立于不敗之地，必將要采取有效的措施來提高供電質量。而靜止無功補償技術在解決上述問題時顯示出其優越性。從經濟角度考慮，電網中加入無功補償可以減少線路中的無功流動，從而降低線路的能量損耗和改善電能質量。從技術角度考慮，無功補償技術未來的發展主要是以電力電子逆變技術為核心，將無功補償與諧波抑制同時考慮。此外電子有源濾波器日益得到完善，由于電力有源濾波器在濾除諧波的時候與電力系統不發生諧振，因此將電力有源濾波與ASVG相結合，以消除傳統的ASVG設備中并聯無源濾波器所產生的諧振問題也是無功補償技術發展的一個方向。

[1]T.J.E.米勒.電力系統無功功率控制[M].北京:水利電力出版社，1990.

[2]肖立軍，賀炳慶，等.靜止無功補償裝置[M].長沙:湖南大學出版社，1989.

[3]何仰贊，溫增銀，等.電力系統分析[M].武昌:華中理工大學出版社，1996.

[4]王兆安，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京:機械工業出版社，1998.

[5]查從梅，楊兆華，秦憶.現代無功功率補償技術發展研究[J].河南科學，2001，19(3):289 －292.

[6]朱罡.電力系統靜止無功補償技術的現狀及發展[J].電力電容器，2001，(4):31 －34.

[7]劉乾業.我國電網無功補償裝置裝設情況及分析[J].電力電容器，2001，(2):40 －42.

[8]戴曉亮.無功補償技術在配電網中的應用[J].電網技術，1999，23(6):11－14.

[9]梁旭，劉文華，等.基于多重化逆變器的靜止無功發生器直流側電流分析[J].電工技術學報，2000(2):1－5.

[10]陳勁操.就地無功補償策略研究及實現[J].電力自動化設備，2002(9):28－30.

[11]繆苗.變電所補償電容的原理與作用[C]//電力電容器、無功補償技術論文集，2006.

[12]翁東雷.電網動態無功補償技術若干問題研究[D].浙江大學，2011.

[13]S Mori，K Matsuno，T Hasegawa，etc.Development of a Large Static Var Generator using Self-Commutated Inverter for improving Power System Stability.IEEE Trans.on Power Systems，1993，8(1):371 －377.

[14]C Schauder，M Gernhardt，E Stacey，etc.Operation of ± 100Mvar TVA STATCON.IEEE Trans.on Power Delivery.1997，12(4):1805 －1811.